基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能溫度記錄儀的研制.pdf

1、溫度敏感性產(chǎn)品，如冷藏藥品、奶制品和農(nóng)產(chǎn)品等，從生產(chǎn)、貯藏運(yùn)輸、銷售，到消費(fèi)前的各個環(huán)節(jié)中，始終處于規(guī)定的低溫環(huán)境下，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。這就需要一項(xiàng)低溫系統(tǒng)工程——“冷鏈”。特別是醫(yī)藥行業(yè)，藥品的質(zhì)量關(guān)乎人民的健康與社會的安定，而且它比—般農(nóng)產(chǎn)品對冷藏條件要求更高。確保冷藏藥品的質(zhì)量安全是醫(yī)藥冷鏈的主要目的，保持低溫環(huán)境是醫(yī)藥冷鏈的核心要求。我國醫(yī)藥冷鏈行業(yè)正處于起步階段，發(fā)展現(xiàn)狀可總結(jié)為：醫(yī)藥市場需求激增，醫(yī)藥冷鏈物流發(fā)展空間廣闊；缺

2、少執(zhí)行力強(qiáng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，近79％的冷藏藥品在運(yùn)輸中沒有溫度監(jiān)測；信息系統(tǒng)不完善，缺乏上下游信息的銜接和共享，常出現(xiàn)“斷鏈”現(xiàn)象；基礎(chǔ)設(shè)備落后，自動化水平低，難以保證可靠性；專業(yè)人才匱乏?？梢?，我國醫(yī)藥冷鏈正面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，亟待建立全程監(jiān)測和追溯系統(tǒng)，構(gòu)建信息化服務(wù)平臺。本文在查閱大量文獻(xiàn)和調(diào)研國內(nèi)外監(jiān)測設(shè)備的基礎(chǔ)上，針對我國醫(yī)藥冷鏈監(jiān)測的特點(diǎn)和不足，研制了一款基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能溫度記錄儀。主要研究內(nèi)容如下：
　　 ⑴無

3、線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）—種新興的高科技產(chǎn)業(yè)，以其微型化、低功耗、自組網(wǎng)等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、醫(yī)療、智能家居、大型倉庫管理等領(lǐng)域。WSN目前在物流行業(yè)的主要應(yīng)用包括倉儲環(huán)境監(jiān)測、在途貨物監(jiān)測和貨物管理等。若將WSN應(yīng)用于醫(yī)藥冷鏈，可實(shí)現(xiàn)真正的無人值守、自動化監(jiān)測，極大地避免因冷鏈設(shè)備自身故障、人為操作失誤、制冷劑失效等問題引起地冷藏藥品的質(zhì)量

4、問題，保障醫(yī)藥冷鏈設(shè)備持續(xù)有效的運(yùn)行，從而提高醫(yī)藥冷鏈的可靠性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型網(wǎng)、樹形網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。星型網(wǎng)是一個單跳網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)最簡單，最易實(shí)現(xiàn)，最容易診斷維護(hù)故障，適用于小范圍室內(nèi)監(jiān)測。樹形網(wǎng)是分級的集中控制型網(wǎng)絡(luò)，成本較低，節(jié)點(diǎn)易于擴(kuò)充。但各子節(jié)點(diǎn)對母節(jié)點(diǎn)的依賴性強(qiáng)，若母節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，則其子節(jié)點(diǎn)都不能正常工作。網(wǎng)狀網(wǎng)是一個多跳網(wǎng)絡(luò)，任意兩個節(jié)點(diǎn)間均可通信，因此該網(wǎng)絡(luò)傳輸距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍大，自愈能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)可靠性高，但該網(wǎng)

5、絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可維護(hù)性差。綜上所述，各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同場合。本文最終采用節(jié)點(diǎn)功耗最低的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以監(jiān)測終端為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，構(gòu)建低功耗、短延時、易于維護(hù)的高效的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
　　 ⑵醫(yī)藥冷鏈溫度記錄儀總體設(shè)計。設(shè)計了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能溫度記錄儀，可用于對冷藏藥品從加工、貯藏、運(yùn)輸?shù)绞褂们暗娜虦囟缺O(jiān)測、記錄和預(yù)警。本記錄儀由若干個無線傳感器節(jié)點(diǎn)和一個智能監(jiān)測終端組成，其中無線傳感器節(jié)點(diǎn)分別對批量貯

6、藏箱體、移動運(yùn)輸工具進(jìn)行實(shí)時周期性地溫度采集和預(yù)處理，并同步發(fā)送給站內(nèi)監(jiān)測終端;終端對多項(xiàng)監(jiān)測任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行海量存儲、分析處理，并可實(shí)現(xiàn)高低溫短信報警，以及向監(jiān)管部門和使用者提供歷史數(shù)據(jù)追溯。
　　 ⑶記錄儀的硬件設(shè)計。根據(jù)記錄儀的總體設(shè)計方案，本智能溫度記錄儀由無線傳感器節(jié)點(diǎn)和智能監(jiān)測終端兩部分組成。本文分別對節(jié)點(diǎn)和終端模塊化，并依次完成各個部分的功能框圖設(shè)計、器件選型、原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計和實(shí)物焊接。其中節(jié)點(diǎn)包括傳感器單元、

7、主控單元、通信單元和電池四部分，終端包括主控單元、觸摸屏、通信單元、報警單元、存儲單元和電源。①節(jié)點(diǎn)選用超低功耗芯片ATmega169作為主控芯片，利用溫度傳感器Pt100采集冷藏環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，通過射頻模塊JTT4432與智能監(jiān)測終端實(shí)時交互溫度信息，采用兩節(jié)七號堿電池供電。整個節(jié)點(diǎn)設(shè)計具備微型化、低功耗、低成本、可擴(kuò)展性和高可靠性等特點(diǎn)。②高精度測量電路。溫度傳感器Pt100經(jīng)恒流源驅(qū)動電路，產(chǎn)生一個精密的溫度電壓值，該電壓信號流過低

8、溫漂高精度運(yùn)放進(jìn)行信號調(diào)理，再通過二階有源低通濾波器提高抗干擾能力，最后經(jīng)單片機(jī)12bit ADC采樣、軟件處理獲取-100～100℃范圍內(nèi)，精度為0.1℃的溫度數(shù)據(jù)。③監(jiān)測終端采用主從控制模式，觸摸屏SK_AE050為主機(jī)，單片機(jī)ATmega128為從機(jī)，通過RS232連接。觸摸屏觸發(fā)Atmega128通過無線通信模塊JTT4432與節(jié)點(diǎn)交互溫度信息;Atmega128對節(jié)點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)分析匯總;海量溫度數(shù)據(jù)被存儲在SD卡中;當(dāng)溫度超限

9、時，GSM模塊TC35實(shí)時向用戶發(fā)送報警短信;電源采用220V市電，經(jīng)AC-DC電源模塊LH20-10B24輸出24V電壓。⑷記錄儀的軟件設(shè)計。無線傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件部分主要包括主程序、溫度采集子程序、射頻收發(fā)子程序、顯示子程序和電池控制子程序。節(jié)點(diǎn)首先對Atmage169及各模塊芯片初始化，配置節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài);按設(shè)定頻率采集溫度數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)預(yù)處理、顯示;同時節(jié)點(diǎn)隨時等待射頻中斷觸發(fā)，接收監(jiān)測終端發(fā)來的命令幀，收到處理命令幀，載入采集

10、數(shù)據(jù)值返回終端。智能監(jiān)測終端軟件包括內(nèi)部通信程序和外圍控制程序。其中觸摸屏與單片機(jī)間的內(nèi)部通信通過MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn);終端外圍控制程序又包括主程序、數(shù)據(jù)存儲子程序、射頻收發(fā)子程序和報警子程序等。
　　 ⑸人機(jī)界面設(shè)計。友好的人機(jī)交互環(huán)境是儀器設(shè)計的重要組成之一。本設(shè)計采用觸摸屏為用戶提供一個生動、直觀的、易于操作的監(jiān)測環(huán)境。本記錄儀實(shí)現(xiàn)的人機(jī)交互功能包括，用戶登錄、節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示、高低溫報警和歷史數(shù)據(jù)查詢等

11、。人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)主要分為兩部分:基于組態(tài)軟件SK Workshop4.0.0的畫面設(shè)計;基于MODBUS協(xié)議完成與單片機(jī)通訊程序編寫。
　　 ⑹整機(jī)性能測試。在已搭建的實(shí)驗(yàn)平臺上，進(jìn)行整機(jī)性能測試。主要包括測溫實(shí)驗(yàn)、通信可靠性實(shí)驗(yàn)和電池工作時間計算。通過多次性能測試結(jié)果表明，本文研發(fā)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能溫度記錄儀，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，可有效的解決醫(yī)藥冷鏈監(jiān)控過程中對高精度、全程記錄、低功耗、實(shí)時報警和歷史追溯的需求。

12、通過該無線溫度記錄儀的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線冷鏈設(shè)備溫度監(jiān)控，大幅提高血液、疫苗等冷藏藥品冷鏈保障的可靠性，依據(jù)記錄數(shù)據(jù)驗(yàn)證冷鏈儲運(yùn)性能，降低工作人員勞動強(qiáng)度，避免因設(shè)備故障或人員操作失誤造成寶貴的藥品因溫度問題而損壞。采用該記錄儀全天候監(jiān)測、記錄、預(yù)警，多方位冷鏈異常信息獲取，真正實(shí)現(xiàn)無人值守冷鏈實(shí)時在線監(jiān)控功能，提高醫(yī)藥儲運(yùn)的監(jiān)控效率和監(jiān)控的可靠性，及時預(yù)警。
　　 ⑺本文的主要成果和創(chuàng)新點(diǎn)主要有：①高精度測溫電路。關(guān)鍵是設(shè)計高

13、精度恒流源和二階有源低通濾波器，優(yōu)化參數(shù)，匹配設(shè)計，提高抗干擾能力。②無線通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計。射頻系統(tǒng)基于傳輸線理論，因此對器件布局，PCB設(shè)計，天線的方向都有很高的要求，設(shè)計高效射頻通路是系統(tǒng)的關(guān)鍵。③友好的人機(jī)界面?；谟|摸屏模式設(shè)計的終端，界面友好，操作簡單。④網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本文采用的相對簡單的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，適合小范圍的監(jiān)控現(xiàn)場，但對于監(jiān)控設(shè)備數(shù)量大的現(xiàn)場應(yīng)用，可嘗試網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。運(yùn)用精度高、可靠性高、網(wǎng)狀網(wǎng)進(jìn)一步完善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。⑤融合物